Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?
Международный научно-исследовательский журнал публикации ВАК
Научные направления
Поделиться:
Разделы: Физика, Нанотехнологии
Размещена 08.05.2015. Последняя правка: 08.05.2015.

УГЛЕРОДНЫЕ ПЛЕНКИ, ПОЛУЧЕННЫЕ МЕТОДОМ ИОННО-ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ

Aliaskarov Rustam Kairbekovich

Магистр техники и технологий

Казахский Национальный Университет им. аль-Фараби

Младший научный сотрудник

Буранбаев М.Ж. доцент кафедры физики твердого тела и нелинейной физики; Кайполдаев О. докторант PhD кафедры физики твердого тела и нелинейной физики;


Аннотация:
Методом ионно-плазменного напыления, получены углеродные пленки. Рассмотрен фазовый состав, внутреннее строение, морфология поверхности, измерена толщина слоя полученных пленок.


Abstract:
Summary. By ion-plasma sputtering, carbon films were obtained. We consider the phase composition, internal structure, surface morphology, measured the thickness of the films.


Ключевые слова:
углеродные пленки; графит; ионно-плазменное напыление; аморфный углерод; алмазоподобная пленка;

Keywords:
carbon films; graphite;ion-plasma sputtering; amorphous carbon; diamond-like film;


УДК 67.02

Углеродные пленки хорошо известны своей способностью образовывать различные электронные конфигурации, такие как sp, sp2, sp3. Наиболее распространенной структурной модификацией является алмаз с sp3-гибридизацией и  графит обладающий sp2-гибридизацией связей[1]. В связи с этим задача получения углеродных пленок с различными электронными конфигурациями искусственным путем привлекает многих ученных. Главная особенность в том, что если изменять соотношения концентрации структурных единиц sp2 и sp3 , можно получать пленки с новыми электронными свойствами.

Тонкие углеродные пленки обладают уникальными физико-химическими свойствами, такими как инертность, износостойкость, прозрачность в видимом диапазоне длин волн, твердость, теплопроводность. Кроме того, изменяя условия их получения, можно в широких пределах управлять шириной запрещенной зоны, концентрацией примесных атомов и проводимостью слоя, что позволяет использовать алмазные покрытия при изготовлении мощных полупроводниковых приборов.

В настоящее время наиболее интенсивно развиваются направления исследования алмазоподобных покрытий, связанные с изготовлением полупроводниковых приборов и повышением стабильности полевого тока "холодных" электронных источников [2]. Получение углеродных покрытий для этих целей осуществляется в основном методом химического парофазного осаждения либо в тлеющем разряде [3], либо с помощью горячей нити [4] в атмосфере водорода и углеводородного газа (чаще всего метана). 

Методика эксперимента 

Выращивание тонких углеродных пленок реализуется на основе физического разложения углеродосодержащего газа (ацетилена) и осаждением на монокристалическую кремниевую подложку с ориентацией плоскости (111). Газ ацетилен получается при  химической реакций карбида с дистиллированной водой. Полученный газ проходит фильтрацию на хим. жидкости, после чего проходит на емкость. Регулировка подачи газа контролируется  через пъезоэлемент. Схема реакционной камеры показано на рис. 1.

 

 

 

Рис.1 Схема реакционной камеры.

Электроды изготовлены из высокочистого реакторного графита. Подложка из монокристаллического кремния предварительно обезжиривается путем последовательной промывки в спирте, плавиковой кислоте и ацетоне, после чего помещается в реакционную камеру. Реакционная камера присоединяется к пьезоэлектрическому вентилю, обеспечивающему напуск газов, и помещается в вакуумную систему. Остаточный вакуум в камере получается при помощи форвакуумного и диффузионного насосов и составляет ~1,3´10-4 Па. Поверхность монокристаллической кремниевой подложки, ориентированная по направлению (111), полируется в камере бомбардировкой ионами Ar+, для этого в камеру предварительно напускают аргон. При полировке поверхности подложки подается  поток ионов аргона при напряжении ~ 4 кВ.

Для выращивания тонких пленок углерода в камеру напускают смесь ацетилена и аргона. Для получения пленок с различной структурной модификацией варьируются напряжение, подаваемое на катод от 2,5 – 4 кВ, и поток газа, который задает давление внутри камеры. Под напряжением газ ионизируется, зажигается плазма внутри рабочего объема. Молекулы ацетилена (C2H2) которые имеют ковалентную сязь, разделяются на отдельные ионы углерода и водорода. Положительно заряженные ионы углерода движутся к катоду где раположена кремниевая подложка и осаждаются создавая центры кристаллизации. По истечению времени центры кристаллизации постепенно растут создавая зернистую поверхность. Толщина полученных пленок составляет от нанометровых до микронных размеров. 

Результаты и выводы 

В результате эксперимента были получены пленки углерода, толщина которых составляла около 3мкм (рис.2).  На начальной стадии напыления, на кремниевой подложке появляются центры кристаллизации, в результате роста которых образовывается пленка. В зависимости от подаваемого напряжения на поверхности формируются различные структуры углерода, это может быть алмазоподобная пленка, графит, аморфный углерод. Толщина углеродной пленки измерялась на электронном микроскопе, на срез. Образец разламывался пополам и устанавливался перпендикулярно электронному пучку.

Поверхность полученных пленок преимущественно ровная, отличается зернистой структурой, размер зерен колеблется от 30нм до 80нм, преимущественно преобладают зерна с диаметром 50нм, реже встречаются более крупные зерна диаметром 200нм (рис.3).

 

 

 

Рис.2. Толщина углеродной пленки. Снимок сделан  на электронном микроскопе

 

 

 

Рис.3. Снимок поверхности углеродной пленки cделанный на электронном микроскопе 

На рис. 4 показан спектр комбинационного рассеяния света углеродной пленки. Для этой пленки характерным является линия широкая линия в области 1580 см-1обусловленная углеродом в аморфной форме. Так как, КРС дает полную информацию о поверхности пленки, спектральные линии углерода в аморфной фазе и спектральные алмазоподобной структуры перекрываются. Аморфный углерод является  связующим компонентом между плоскими зернами алмазной структуры. Такие же результаты наблюдались в работах А.П. Семенова, А.Ф. Белянина, И.А. Семеновой, П.В.Пашенко, Ю.А.Баранкова “Тонкие пленки углерода. Строение и свойства”. Журнал технической науки 2004.

Спектры КРС углеродных пленок, полученных при иных условиях напыления, заметно изменялись, что в свою очередь свидетельствует об изменении фазового состава.

 

 

 

Рис.4. Спектр аморфной углеродной пленки полученный методом Рамановского рассеяния. 

      Заключение 

Предложен способ выращивания пленок углерода различных структурных модификации на вакуумной установке. Получены углеродные пленки с высоким коэффициентом отражения, устойчивостью к истиранию, механической прочностью и стабильностью свойств получены простым и экономически эффективным методом. Получены пленки толщиной 3-3,8 мкм на кремниевых подложках. Рассмотрен фазовый состав, внутреннее строение, морфология поверхности полученных пленок.

Библиографический список:

1. Ш.Ш. Сарсембинов, О.Ю. Приходько, С.Я. Максимова “Физические основы модификации электронных свойств некристаллических полупроводников”, Алматы 2005, 253-298с,
2. А.П. Семенов, А.Ф. Белянин, И.А. Семенова, П.В.Пашенко, Ю.А.Баранков “Тонкие пленки углерода. Строение и свойства”. Журнал технической науки 2004
3. Raiko V.R. // Diamond and Related Materials. 1996. N 10. P. 1063.
4. Wei J., Tzeng Y. // J. Cryst. Growth. 1993. N 128. P. 413.




Комментарии пользователей:

Оставить комментарий


 
 

Вверх